CN1057329A - 带液化致冷机的恒温器 - Google Patents
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Abstract
带有液化致冷机的恒温器中，在一个隔热容器内
包含一个要冷却的物体以及用于冷却要冷却物体的
液化致冷机的低温端。液化致冷机包括一个冷却器
和致冷机，冷却器包括作为主要部件的一个热交换器
和膨胀阀。致冷机包括机械式动作的致冷装置。在
恒温器的一个真空容器内冷却器和致冷机通过一个
可拆卸的热传导件热连接在一起。由于致冷机和冷
却器相互分开，则可相互独立地检修，并且冷却器可
具有紧凑和重量轻的结构设计。
Description
本发明一般涉及带液化致冷机的恒温器，特别是涉及一种包含超导磁体并且容易冷凝液化气体的蒸发气的液化致冷机的恒温器，这种恒温器适于用在超磁共振成像传感设备或类似设备中。
在传统的带液化致冷机的恒温器中，特别是如在日本的未经查查的专利出版物No.62-299005中公开的用在诊断人体的医疗领域中使用的核磁共振设备（以下称之为MRI）中，使用了一种超导磁体（以下称之为“磁体”），从而获得了均匀的强场。因此需要真空绝热的恒温器以便包含处在冷却状态的磁体。
通过把磁体浸入低温冷却介质（例如液氦）中使磁体冷却，从而可将磁体保持在超导条件下。从恒温器的常温真空容器漏入恒温器中的热量使液氦逐渐蒸发，因此必须定期地补充或倾注液氦。如果降低液氦蒸发量，并且如果液氦在恒温器中重新液化，那就勿需倾注液氦，运行的费用就能极大的降低。
因此按现有技术，就使用了包括致冷机A和液化致冷器B的一种液体致冷机，其中的致冷器A用于冷却恒温器中的热屏蔽板，而液化冷却器B固定地安装在恒温器内的真空容器中，从而将液氦冷却到液化温度，其中利用了对致冷机A的冷却。
还有，按现有技术，要将由装在常温房间内的油润滑型压缩机设备压缩的氦气供应到冷却器B，并且这样供给的氦气包含有杂质，诸如油的组分、氮气、氧气和二氧化碳气体，其浓度为n个ppm。
致冷机A装在固定在恒温器内的热屏蔽板上的一个衬套内，在致冷机A的冷却段和衬套壁之间的热交换是通过填充并密封在衬套中的氦气实现的。
致冷机A和冷却器B都要从安装在常温区的压缩机接收工作气体（例如高压氦气），因此在致冷机A和冷却器B的冷却部分中都要积存诸如油、水、二氧化碳、氦和氢气之类的杂质，因此必须对它们进行定期地检修。
需要定期检修的致冷机A的组成部件是：往复式膨胀机（例如Gihorol Mc Mafon和Solbey循环）的排出器（清洗沉积的冷却物质）、在冷却部分设置的密封环（更换）、等等。需要定期检修的冷却器B的组成部件是：热交换器（清洗它的内部）、焦-汤阀（清洗它的内部）等等。在上述现有技术结构中，致冷机A的排出器很容易抽出，其圆柱体部分留在恒温器内，检修很容易进行;但由于冷却器B是固定地安装在恒温器内的，所以必须先将恒温器内的真空恢复到大气压而后才能拆除冷却器B。
但要实现这一操作，必须让液氦容器回到常温，并且需要从这个液氦容器除去液氦、加热、在检修和重新冷却后重再新注入液氦，这就产生了一个问题，即增加了检修所需的费用。
冷却器B的检修循环时间由冷却器B的工作流体中的杂质浓度决定。杂质浓度越高，检修循环时间就越短，并且检修费用越高，这就产生了一个问题，即提高了运行费用。
在致冷机A的冷却段和衬套壁之间的热交换是由填充在它们之间的平稳的氦气的热传导实现的。因此氦气层的热阻很大，从而使致冷机A的冷却段和衬套壁之间的温差很大。因而，由于对热屏蔽板的冷却不充分使液氦的蒸发量增大，并且由于对和衬套壁热结合的冷却器B的冷却不够充分还使液氦在液氦容器中的液面降低。因此，有必要重新倾注液氦的蒸发气体，从而增加了运行的费用，并且超导磁体还会露出液面，由于温度升高而使超导条件消失。这样一来，就又遇到了恒温器可靠性降低的问题。
针对上述现有技术的问题，本发明的一个目的就是提供一种包含超导磁体在内的带有液化致冷机的恒温器，其中的致冷机A和冷却器B是相互分开的，因此可对它们相互独立地进行检修，并且进行检修的费用很低。
本发明的另一个目的是提供带有液化致冷机的恒温器，液化致冷机的检修费用很低，并且冷却器B可具有紧凑和重量轻的结构设计，并且可以降低制造成本。
本发明的下一个目的是提供带有液化致冷机的恒温器，它能以低成本检修，而且具有优秀的冷却能力，并且运行极为可靠。
为实现上述目的，在按本发明的带有液化致冷机的恒温器中，将冷却器B按可拆卸方式安装在一个液氦口内，并且通过预先安装在恒温器内部的热传导部件使冷却器B和致冷机A进行热接触。
更具体地说，按照本发明的液化致冷机被分开成为冷却器和致冷机，该冷却器包括的主要部件是热交换器和膨胀阀，致冷机包括机械式动作的致冷装置，并且在恒温器内的真空容器内，通过可拆卸的热传导装置使冷却器和致冷机进行热连接。按本发明的另一种形式，液化致冷机被分开成为一个致冷机（用于冷却热屏蔽板）和一个冷却器（用于冷却液化管路）。按本发明的下一种形式，液化致冷机包括一个冷却器和一个致冷机，该冷却器可独立拆卸。按本发明的再一种形式，该液化致冷机是一种仅由JT管路构成的液化设备，该液化致冷机的高压端经受的工作压力小于10kg/cm2。在这种情况下，除液化致冷机外最好还要提供另一个致冷机来冷却该屏蔽板。
最好在恒温器的真空容器中设置一个插入冷却器的口，该口和真空室要分隔开，并且通过热传导装置使该口的低温部分和液氦容器中的蒸发气体冷凝表面进行热结合。
冷却器最好装在液氦供应口或蒸发气体排出口内，并且通过该供应应口或排放口的壁使冷却器和致冷机进行热连接，并且冷却器的低温部分暴露于液氦容器的气相部分之中。
按照本发明，热传导部件是固定地装在冷却器安装口或液氦供应口的壁上的，冷却器B要被冷却部分经过液氦供应口的壁和热传导部件进行热连接，通过致冷机A的冷却很容易地把冷却器B中的工作气体冷却到低温温度，从而很容易产生期望得到的低温温度。
在要进行检修时（即仅在冷却器B中发生故障时），抽出冷却器B，不得使大气流入液氦供应口，并且在常温时清洗冷却器B。然后再将冷却器装到液氦供应口上。这时致冷机A可以继续运转，因此即使在拆除了冷却器B期间，仍可保持恒温器中的液氦的蒸发量为最小值。另外，由于在冷却器B检修期间不需破坏恒温器的真空，因此极大地降低了检修所需的费用。
再者，按照本发明，在冷却器B中不需加入一个自冷却致冷机，因此冷却器B可以具有一个紧凑的和重量小的结构，以外可以大大地降低冷却器B的制造成本和检修费用。
另外，为实现上述目的，按照本发明提供一种带有液化致冷机的恒温器，其中的一个要冷却的物体，以及用于冷却要冷却的物体的所说液化致冷机的低温端，都包含在一个隔热空间内;其特征在于所说的液化致冷机包括一个冷却器和一个致冷机;并且在所说致冷机的低温端和所说冷却器的常温端之间设置一个通路以便供应工作流体，使其按分开的方式从所说低温端连到所说冷却器。
可将冷却器装在设置在隔热空间内的冷却介质供应口内。液化致冷机可以包括一个冷却器和一个致冷机（用于冷却热屏蔽件），该冷却器和致冷机按可拆卸方式和设置在该隔热空间中的热传导部件相连。该冷却器可按可拆卸方式独立地装在该隔热空间内。
按本发明的另一种形式，该冷却器的主要部件有一个热交换器和一个膨胀阀，致冷机包括机械式动作的致冷装置，并且提供一个用于供应工作流体的通路，它以分开的方式自致冷机的低温端流到冷却器的常温端，并且在该隔热空间内所说冷却器和所说致冷机通过可拆卸的热传导装置热连接在一起。
按本发明的下一种形式，将所说致冷机插入与所说隔热空间隔开的一个衬套内，并且在所说衬套和所说致冷机之间设置一个间隙，所说工作流体流过所说间隙。可在所说通路内提供吸附剂，或者可在所说致冷机的低温端内提供吸附剂。
按本发明的下一种形式，提供加热装置，用于加热工作流体，该工作流体以分开的形式自所说致冷机的低温端流到常温端，并且提供一条通路，用于从所说冷却器的常温端供应所说被加热的工作流体，并且在所说隔热空间内，所说冷却器和所说致冷机通过可拆卸的热传导装置热连接在一起。该加热装置可包括一个在所说隔热空间内设置的热屏蔽件，或者包括一个在所说隔热空间内设置的插入管，将所说冷却器插入所说插入管内。
按本发明的另外一些形式，在一个常温部分提供给所说致冷机供应工作流体的一台压缩机，并且在置于所说隔热空间内的所说致冷机的低温端提供一个用于吸附所说工作流体内杂质的吸附部件，并且提供一个从所说冷却器的常温端、通过所说吸附部件供应所说工作流体的通路。或者，所说冷却器中包含吸附剂，并且从安装在常温部分的压缩机向所说冷却器的常温端供应工作流体。或者，将纯度高于供给所说致冷机常温端的工作流体的工作流体供应到所说冷却器的常温端，并且在所说隔热空间内通过可拆卸的热传导装置将所说冷却器和所说致冷器热连接在一起。
通过上述结构，借助于致冷机的冷却就可以很容易地把冷却器内的工作流体冷却到低温温度。
按照本发明，当要进行检修时，即当故障只在冷却器中发生时，将冷却器抽出，不让大气流入冷却介质供应口，并且在常温下清洗冷却器的内部。然后可再把冷却器固定到冷却介质供应口上。这时，由于致冷机可连续运行，因此即使在拆除了冷却器期间仍可保持恒温器中的液氦蒸发量为最小。再有，由于在冷却器检修时勿需破坏致冷机的真空，因此大大地降低了检修所需的费用。
另外，由于勿需在冷却器内加入自冷却致冷机，因此冷却器可以具有紧凑的和重量小的结构设计，此外，除检修费用外还可大大降低冷却器的制造成本。
例如，可将从致冷机的低温部分提取出来的氦气（即含极小量杂质的高压氦气）作为工作流体供应到常温条件下的冷却器。因此，冷却器可独立分开，并可降低检修所需的费用。
再者，因为从致冷机的低温部分提取的工作流体总是通过致冷机的衬套流动的，因此在致冷机和衬套壁之间的热阻由于这个工作流体和衬套壁之间热传输的增加而被降低到一个极小的数值。因此，热屏蔽板件的冷却温度进一步降低，因而减少了冷却介质的蒸发量，并且还进一步降低了冷却器的冷却温度，从而增加了冷却器的液化冷却性能。因此能够节省液化致冷机的压缩机消耗的电能数量，并且可降低运行费用。
图1是按本发明的第一实施例的带有液化致冷机的恒温器的一个剖面图;
图2是用在图1的恒温器中的冷却器的一个剖面图;
图3是本发明第二实施例的一个剖面图;
图4是本发明第三实施例的一个剖面图;
图5是本发明第四实施例的一个剖面图;
图6是本发明第五实施例的一个剖面图;
图7是用在本发明第六实施例中的致冷机A的低温端部分的一个剖面图;
图8是用在本发明第七实施例中的冷却器B的一个剖面图;
图9是本发明第八实施例的一个剖面图;
图10是本发明第九实施例的一个剖面图。
现在参照图1描述本发明的第一实施例。在恒温器的中心部分有一个与大气连通并适于容纳要检测物体的空腔部分1。该恒温器包括一个液氦容器4，容器4含一个超导磁体2（即要冷却的物体），并且包括多个温度水平（在本实施例中是两个温度水平，即约为70K和约为15K）的热屏蔽室（即要冷却的另外一些物体）。通过真空容器7将恒温器的内部与大气隔离开，该恒温器的内部例如通过缠绕分层的隔热材料8而成为真空隔热的。
例如Solbey型、Gihord-McMahon型、或类似类型的致冷机A包括：用作气体压力源的一台压缩机单元9、活塞往复式膨胀机10、高压管道11、以及中压力管道12，两个管道11和12将压缩机单元9和膨胀机10相互连接起来。膨胀机10的低温部分装在恒温器内，它的冷却到70K温度的第一级13与热屏蔽管5热结合，它的冷却到15K温度的第二级14与热屏蔽管6热结合。
包含热交换器和Joule Tomson阀（以下称之为丁T阀）在内的冷却器B包括一台压缩机单元15（用作气体压力源）、高压管道16、以及低压管道17。将冷却器B插入一个插入口18，冷却器B的低温部分经过由铟箔或类似物构成的接触件和第一低温法兰19以及第二低温法兰20进行热结合。
第一和第二低温法兰19和20通过热传导部件（例如铜线）21和22分别与膨胀机10的第一和第二级13和14进行热结合，并且通过膨胀机10的冷却作用冷却到各自的温度70K和15K。在一般为大气压力下的气体氦经阀18′注入到插入口18中。
参考标号24代表热传导部件，参考标号25代表液氦供应口。液氦供应口25由不锈钢制成，但在起冷凝作用的它的下端部分的热传输面26却是由铜构成的。参考标号27表示一个防热辐射杆，在杆27上分多极安装具有高辐射能力的圆盘状反射板。在要倾注液氦时将这个防热辐射件从液氦供应口25移去或撤除，该件通常可封闭这个供应口。
图2表示图1中的冷却器B的一个剖面结构。在例如由不锈钢这样的低热传导材料构成的上部外营29和例如由磷脱氧铜这样的高热传导材料构成的上部内管30之间形成了一个空间31，并且在该空间31内设置例如由无氧铜这样的高热传导材料构成的多个圆盘状的带孔的热传输板32，将这些板32沿轴层迭。通过焊接、银焊、扩散压焊、或类似方式使这些带孔板32和上部内管30的外表面热结合。在图2中，省去了沿层迭方向中间的一些带孔板32。无氧铜的第一加热段33装在上部外管29的下端，各连接部分通过焊接或类似方式相互气密地结合在一起。第一加热段33的外表面是锥形的，因此能与第一冷却法兰19的内锥表面保持良好的热接触。
第一加热段33具有按多级方式在里边形成的整体式带孔板34，并且可以不总要求带孔板34与上部内管30进行热结合。正是在第一加热段33下端的下方提供一个空间36，该空间36是在由不锈钢构成的中间外管35和外部内管30之间形成的，在空间36内沿轴向层迭有多个由无氧铜构成的带孔的热传输板37、带孔板37与上部内管30的外表面热结合。沿层迭方向的中间省略了某些带孔板37。
第一加热段33整体式地与中间外管35的上端作气密连接。由无氧铜构成的第二加热段38装在中间外管35的下端，相接的各部分相互气密结合。第二加热段38有按多级方式形成的整体式带孔板39，该带孔板39勿需总是和上部内管30热结合。由不锈钢构成的下部外管40整体式地与第二加热段38的下端气密相接。
第二加热段38的外表面和第一加热段33的外表面一样也是锥形的，并且能和第二低温法兰20的内锥表面保持良好的热接触。正是在第二加热段38的下端的下方提供了一个空间42，该空间42是在下部外管40的下部内管41之间形成的，将由细小颗粒的铜构成的带孔的烧结件43沿轴向连续填充在空间42内，该带孔的烧结件43就与下部内管41的外表面形成了热结合。在图2中省略了轴向中间部分的某些带孔的烧结件。
下部外管40和下部内管41的下端整体式地接到法兰44上，并且空间42经一通孔45与JT阀46连通。JT阀的出口与一个气-液分离器47连通，并且该分离器的上部经一个通孔48与下部内管41的内部连通。在下部内管41和用于JT阀的由不锈钢构成的棒状管49之间形成了一个空间50，在空间50中沿轴向连续填充由细小颗粒状铜构成的带孔的烧结件51，带孔的烧结件51与下部内管41的内表面形成了热结合。在图2中省去了轴向中间部分的某些带孔的烧结件。在上部内管30和JT阀的棒形管49之间形成了一个空间52，在空间52内沿轴向层迭着由铜构成的带孔的热传输板53，带孔板53与上部内管30的内表面进行热结合。省略了层迭方向中间部分的某些带孔板53。
空间52的上端与低压管17连通。通过螺栓55上下移动位于杆54的下端部分的针尖，从而可调节JT阀的开放程度。细长杆54由圆柱状管56导向，管56由热传导性极低的材料（例如塑料）制成。
第一加热段33由第一低温法兰19冷却到约为70K的温度，第二加热段38由第二低温法兰20冷却到约为15K的温度。高压氦气从空间31的上端流入冷却器B，并且在通过带孔的热传输板32、34、37和39以及带孔的烧结件43的同时被冷却到约为6K的温度，然后流入JT阀46。在JT阀中氦气膨胀，在此之后由温度约为4.3K的低压氦雾产生的液氦就停留在气-液分离器47的下部以便冷却气-液分离器47的壁，通过这种冷却作用就冷却了该插入口的最下端部分23。低压氦气和液氦的蒸发气体通过通孔48流动，并且在冷却了带孔的烧结件51和带孔的热传输板53的同时被转变成常温低压气体，然后通过空间52的上端从冷却器B排出，并返回到低压管道17。
冷却到液氦温度的插入口的最下端部分23通过诸如铜线之类的热传导件24与设置在液氦容器4的液氦供应口25的下端的一个冷却件26实现热结合。冷却件26由具有良好热传导性能的材料（例如铜）制成，并且例如通过摩擦压配合与构成液氦供应口25的上部的由不锈钢制成的圆柱状部分、并与构成液氦供应口25的下部的由不锈钢构成的液氦容器4的颈部实现气密结合。由于液氦供应口25的内部充满了蒸发的氦气，因此由于气体的对流作用使热量从常温部分传入低温部分。因此在液氦供应口25中插入一个防对流板27。将安全阀28连到液氦供应口25的上部，如果液氦容器4中的压力升高到一个预定水平，则蒸发的气体从这里排到大气。
在液氦容器中蒸发的气体氦在处于低温温度下的冷却板26的内表面被重新液化，并作为已液化的氦返回到容器4中。因此，在液氦容器4内的压力以及该容器内液面保持不变，勿需重新补加液氦。
由氦气流从压缩单元9和15带入致冷机A和冷却器B中的高沸点物质（例如油、水、二氧化碳、氧气、氮气和氢气这些杂质）在它们的各个冷却部分积累起来。但是，由于冷却器B的温度变得和液氦温度一样低，因此由杂质引起的冷却器B故障比致冷机A的故障还要多，例如由于这样一些杂质沉积在热交换器内的热传输板和烧结件的表面上使热传输性能变坏，堵塞JT阀。
当在冷却器B中发生了这样的故障时，就要拆下冷却器B，并且在常温下用高纯气体氦清洗它的内部，从而除去它的杂质。之后再将冷却器B插入插入口18，通过阀18′对该口抽真空，并且在通过第一和第二低温法兰19和20的冷却作用冷却器B本身的同时对该口进行冷却操作。在这时，通过对口18抽真空，可尽量避免在冷却操作期间对最低端部分23加热。在这个冷却操作后，经阀18′将氦气充入口18中，由此即将冷却器恢复到正常状态。
因此按本实施例，当要对冷却器B进行检修时，在继续操作致冷机A的同时就可检修冷却器B。因此即使拆除了冷却器B，也能防止热屏蔽板的温度升高，还可避免液氦蒸发量的巨大增加。再有，当要拆除冷却蒸发器B时，也勿需破坏恒温器的真空状态，并且检修所需费用也可得到极大有益的降低。
另外，由于勿需在冷却器B内加入一个自冷却的致冷机，因此冷却器B可具有紧凑的和重量小的结构设计，可降低制造成本，并且也可降低检修冷却器B本身的费用。
图3表示本发明的第二个实施例。本实施例与图1的实施例的不同之处在于，冷却器B（3）可装在液氦供应口57内。因此，由致冷机A（10）冷却的第一和第二冷却法兰19和20装在该供应口57相对两端的中间，在第一和第二低温法兰19和20之间伸展的供应口57的壁部分由弹性的伸缩软管58构成，在第二低温法兰20和液氦容器4之间伸展的供应口57的壁部分类似地也由弹性的伸缩软管59构成。弹簧60装在软管59的外围，从而使冷却器B（3）的第一和第二加热段33和38可分别和第一和第二低温法兰19和20保持良好的热接触。
液氦容器4通过环氧树脂构成的负荷，支撑件61由真空容器7的一个壁支撑的，但在图1中省去未画出来。
在本实施例中，由于冷却器B的插入口和液氦供应口是相互结合在一起的，因此省去了在常温温度和液氦温度间提供热传导的一个结构件，并且减少了渗入液氦容器中的热量，因而可降低冷却器B所需的冷量，这就使结构更加紧凑。再者，由于气-液分离器47的一个外表面与液氦容器4中的气相是直接接触的，因此就可获得一个优点，即在液氦容器内的蒸发气体可被有效地重新液化。另外，在冷却器B的冷却操作期间，在液氦容器4内的蒸发气体通过打开阀62经沟槽63和64被排放到大气，因而冷却器B可在短时间内通过该蒸发气体的显热被冷却。因此可极大有益地缩短冷却器B的冷却时间。
按本发明，冷却器B具有勿需提供任何机械式动作的致冷装置就能重新液化蒸发气体的功能，并且可提供与用来冷却热屏蔽板的致冷机A分开的冷却器B。因此可得到下述优点。
由于在不停止致冷机A运行的情况下就可检修冷却器B，因此这时就可避免液氦蒸发量的大量增加，并可极大地降低维护费用。由于在不破坏恒温器真空的情况下就可拆下冷却器，故大大降低了维护费用。可将冷却器B装在液氦供应口内，因此冷却器B固定后可通过液氦的蒸发气体直接将常温下的冷却器3进行预冷，因此可缩短冷却器B的冷却时间。另外，由于不需在冷却器B内加入任何机械式动作的致冷装置，因而可降低冷却器B的制造成本。
下面结合附图描述本发明的其它实施例。
图4是按照本发明第三个实施例的带有液化致冷机的恒温器的一个剖面图。在恒温器的中心部分有一个与大气连通前适于容纳一个要检测物体的空腔部分1。该恒温器包括一个含有用作要冷却的物体的超导磁体2、液氦4a（即冷却介质），以及用作要冷却的多个温度水平（在本实施例中是两个温度水平，即约为70K和约为15K）下的其它物体的热屏蔽管5a和6a，通过真空容器7将恒温器的内部与大气隔离开，例如通过缠绕分层的绝热材料8使恒温器内部真空隔热。
例如Solvey型的一个致冷机A包括：用作气体压力源的压缩机9a和9b，活塞往复式膨胀机10，高压管道11，以及中压管道12，两个管11和12把压缩机和膨胀机10相互连接起来。将膨胀机10的低温部分装在恒温器内，冷却到温度为70K的它的第一冷却级13通过热传导件5b和5c与热屏蔽管5a热结合，冷却到温度约为15K的它的第二冷却级14通过热传导件66和6c与热屏蔽管6a热结合。
膨胀机10装在用作插入口的衬套18内。衬套18的内部与真空容器7的内部隔离开。从在膨胀机10的第二冷却级14的缸体71中形成的一个窄孔72流来的低温高压氦气通过在衬套18以及第二和第一冷却级之间形成的一个间隙72a流向高温侧，并且通过常温部分的一个窄孔73、阀73a和管73b继续流动，并且被供应到装在插入口75中的冷却器B（74）。
用在本实施例中的冷却器B（74）和图2中的冷却器B相同。装在插入口中的冷却器B（74）的结构如图2所示。在由低热导率材料（如不锈钢）构成的上部外管29和由高热导率材料（例如磷脱氧铜）构成的上部内管30之间形成一个空间31，在空间31中设置多个由高热导率材料（例如无氧铜）构成的圆盘状带孔的热传输板32，将它们沿轴向层迭起来。通过焊接、银焊、扩散压焊、或类似方式使带孔的板32与上部内管30的外表面实现热结合。在图2中省去了层迭方向中间部分的某些带孔板32。由无氧铜构成的第一加热段33装在上部外管29的下端，连接部分通过焊接或类似方式相互气密地结合起来。第一加热段33的外表面是圆柱形的，并且在该外表面和第一低温法兰76（图4）的内表面之间的间隙不超过100μm，因此通过停留在插入口75中的氦气的热传导就可以在其间进行良好的热交换。
如图4所示，冷却到液氦温度的气-液分离器47暴露到液氦容器4的气相部分，在该容器中的蒸发气体在与气-液分离器47的外表面接触时被重新液化，从而使液氦容器4中的压力，以及该容器内液面保持不变。因而不需要重新补充液氦。在拆除冷却器B（74）时，由氦气供应阀78供应氦气。
供给管73b和冷却器B（74）的氦气来自于致冷机A的低温端，这里的杂质浓度比致冷机A的常温入口部分低，该浓度极低，为几个ppb数量级。因此，沉积在冷却器B中的热传输表面上和JT阀上的杂质数量极小，因此几乎不发生诸如降低热传输性能和堵塞JT阀这样的故障。因此冷却器B（74）的检修循环时间延长了，并且可降低检修费用和运行费用。
如果在冷却器B（74）中发生了任何故障，将冷却器74拆下，用高纯度氦气在常温下清洗冷却器74的内部以便清除杂质，再将冷却器B装入插入口75。并且，在冷却操作期间，可操作致冷机A。因此，即使在拆除了冷却器B（74）期间，也可防止热屏蔽管的温度升高，并且可防止液氦蒸发量发生大的增加。再有，在拆下冷却器B（74）时，不需破坏恒温器内的真空，因此检修费用得到大大有益地降低。
勿需在冷却器B（74）中加入一个自冷却致冷机，冷却器B（74）可具有紧凑的和重量小的结构设计，可降低制造成本，可降低检修冷却器B（74）本身的费用。
在要对该冷却器B（74）进行再次安装时，通过致冷机A的连续运行已经使第一低温法兰76和第二低温法兰79进行了冷却，因此可大大地缩短冷却器B（74）的冷却时间。
在冷却器B（74）的操作期间，氦气总是流过衬套18和膨胀机10的第一和第二冷却级13和14之间的间隙72a，因此这时的热阻就比氦气平稳时的热阻低得多。所以，与衬套18热结合的热传导件5c和6c被冷却到较低的温度。因此，热屏蔽管5a和6a被冷却到较低的温度，并且增强了热屏蔽效应，由此即减少了液氦容器4中液氦的蒸发量。另外，由于热传导件5b和6b也被冷却到较低的温度，由此降低了冷却器B（74）的第一和第二加热段33和38（见图2）的冷却温度，从而增加了冷却器B（74）的液化冷却量。因此，即使压缩用于操作致冷机A和冷却器B的能量，也能重新液化液氦的蒸发气体，从而节省了用于操作的电能费用。
图5表示本发明的第四个实施例。本实施例与图4的第三个实施例的区别在于，将从致冷机A的低温端提取的氦气通过在第一冷却段13和衬套18之间的间隙加到和衬套18相接的管80中，并且进一步通过与插入口75的外表面热结合的例如螺旋管型的热交换器81加到管73b中。在本实施例中，由于热传导从常温部分沿插入口75的壁漏入插入口75的低温部分的热量被热交换器81中的低温氦气消除，因而进一步增强了冷却器B（74）的冷却性能。
图6表示本发明的第五个实施例。本实施例与图4的第三个实施例的区别在于，从致冷机A的低温端提取的氦气是通过在第二冷却段14下面的一个衬套加到管82中的，然后通过分别与热屏蔽管6a和5a热结合的热交换器83和84（例如螺旋管型）、然后再通过热交换器81加到管73b中。在本实施例中，由于热屏蔽管6a和5a可由从致冷机A的低温端提取的氦气直接冷却，因此可把这些热屏蔽管冷却到较低的温度。因而，可降低液氦蒸发量，降低冷却器B（74）的冷却负荷，因此降低了操作的电能和运行费用。在本实施例中，即使省去热传导件5c和6c，也能冷却热传导件6b和5b因此决定衬套18的安装位置与热传导件6b和5b无关，所以真空容器7的结构有很大的灵活性。
在这些实施例中，虽然冷却器B的第一和第二加热段是通过滞留在插入口内的间隙中的氦气的热传导冷却的，但可在该间隙中提供诸如铟之类的软金属来加强冷却作用，在这种情况下可改善冷却器B的冷却性能。在这种情况下，如果第一和第二加热段每一个都是锥形的，并且如果和第一和第二加热段相对应的插入口的那些部分也具有和第一和第二加热段的形状相对应的锥形形状，那么就可获得较好的冷却效果。如果在两个加热段都为圆柱形的情况下两者直径相同时，插入口的内径在轴向就可能是均匀的，在这种情况下插入口的结构就可能很简单，从而降低了制造成本。
图7表示本发明的第六个实施例。在排放器85中设置由铜线或类似物制成的过滤器87和87，这些过滤器被设置在存在于排放器85中的冷却物质（例如稀土金属或铅的化合物或合金）86之下方，该排放器85是装在致冷机A的低温端的，把吸附剂，例如活性碳和分子筛装在象铜网那样的过滤筛87和87之间。在本实施例中，由致冷机A中的氦气冷却到低于15K的温度的吸附剂88专门用来清除杂质中的氢组分，所以进一步提高了从窄孔72提取的氦气的纯度，因而，进一步减少了积累在或沉积在冷却器B中的杂质数量，并且延长了检修冷却器B的循环时间，因而也就降低了运行费用。在本实施例中，尽管吸附剂88是设置在排放器85中的，但还可以将吸附剂88设置在空间89中，空间89是在致冷机A的缸体71的底部和衬套18的底部之间的，在这种情况下可得到类似的效果。
图8表示本发明的第七个实施例。该实施例和图2的实施例的区别在于，将一个诸如活性炭和分子筛之类的吸附剂90设置在分别位于第一和第二加热段33和38以及冷却器B的JT阀之前方的每一个高压流路的空间内。通过冷却到各个温度水平的吸附剂90把包含在氦气中的杂质去掉，由此就防止了对各个热传输板的污染和对JT阀的堵塞。因此，进一步延长了检修冷却器B的循环时间，降低了运行费用。在要进行检修的同时可将吸附剂90取出，在常温下使其再生，因此在短时间内就能很容易地完成检修。
图9表示本发明的第八个实施例。本实施例与图4的第三个实施例的区别在于，使用了一个包含如图8所示的吸附剂的冷却器B（92），并且在于，独立地提供给冷却器B（92）供应氦气的一个氦压缩机单元93，并且不从致冷机A的低温端供应氦气。在本实施例中，由于包含在冷却器B（92）中的吸附剂能够清除从氦压缩机单元93供给的氦气中的杂质，因此可防止冷却器B（92）的污染和堵塞。因此，可延长冷却器B的检修循环时间，此外由于致冷机A是独立设置的，因此即使在压缩机单元93中发生故障时也可独立地操作致冷机A，由此即可将液氦蒸发量保持在一个最低的水平上。
在这些实施例中，虽然可从常温部分控制JT阀的开放程度，但也可用一个设置在冷却器B的低温端内的固定的节流孔来代替该JT阀，在这种情况下可得到类似的效果。
图10表示本发明的第九个实施例。本实施例与图4的第三个实施例的区别在于，从冷却器B（74）的一个独立的压缩机单元93供给的氦气被热交换器94冷却，然后加到与热传导件5a结合的吸附装置95中，从而可通过填充在吸收装置95中的吸附剂去除氦气中的杂质，然后氦气通过要恢复的热交换器94进入常温，然后加到管73b中。在本实施例中，也可将含较少杂质的氦气加到冷却器B中，因此和常规的结构相比也延长了检修冷却器B的循环时间。
在上述这些实施例中，虽然液氦冷却了用作要冷却的物体的超导磁体，但要冷却的物体还可以是Josephson电设备、SQUID设备、传感器、或任何其它适当设备，在这种情况下可得到类似的效果。
如上所述，在第三个和第九个实施例中，将包含较少杂质的氦气加到冷却器B中，冷却器B勿需使用机械式动作的致冷装置就能实现重新液化的功能，这种冷却器可和致冷却热屏蔽管的致冷机A分开提供。因此，根据这些实施例进行适当选择，就可得到如下好处：
（1）由于在不停止致冷机A的操作情况下就能检修冷却器B，所以可以防止在该检修期间内液氦蒸发量的大幅度增加。
（2）由于在不破坏恒温器真空的条件就可拆下冷却器B，所以大大降低了维护费用。
（3）由于可将冷却器B装在液氦供应口中，因此可通过液氦的蒸发气体在固定了冷却器B后直接地预冷却常温下的冷却器B。因此可缩短冷却器B的冷却时间。
（4）在冷却器B中勿需加入自冷却致冷机，并且不包含任何机械式动作的致冷装置。因此降低了冷却器B的制造成本。
（5）由于从致冷机A的低温端提取的并且包括少量杂质的氦气被加到冷却器B内，因此延长了冷却器B的检修的循环时间，因而有益地降低了运行费用。
（6）由于冷却器B可包含清除杂质的吸附装置，因此可防止冷却器B的污染和堵塞，从而可延长检修的循环时间，并且还很容易实现吸附剂的再生，由此进一步降低了运行费用。
（7）可以在连通致冷机A的低温端和冷却器B的入口的管道内设置吸附剂。由此进一步减少了氦气中的杂质浓度，因而进一步延长了冷却器B的检修循环时间。
（8）由于从致冷机A的低温端提取的氦气是流过致冷机A的衬套和致冷机A的冷却段之间的间隙的，因此在冷却段和与衬套结合的热传导件之间的热阻很小，从而使热屏蔽管的温度以及冷却器B的加热段的温度较低。因此，降低了液氦蒸发量，并且增强了冷却器B的冷却性能，并且降低了操作致冷机A和冷却器B需消耗的电能数量，因此降低了运行费用。
如上所述，按照本发明可以在常温条件下供应含极少量杂质的高压氦气，用它作为冷却器的工作流体。因此，致冷机和冷却器可相互分开，可相互独立地检修。因此可降低检修费用。还有，由于可进一步降低冷却器的冷却温度，因此可增强冷却器的液化冷却性能。因此可降低操作液化致冷机的压缩机的费用。因此，可提供包含超导磁体并且运行高度可靠的带有致冷器的液化恒温器。
Claims (23)
1、在一个带有液化致冷机的恒温器内，它在一个隔热容器内包含一个要冷却的物体的及一个用于冷却所说要冷却物体的所说液化致冷机的低温端；
其改进在于其中所说液化致冷机包括一个冷却器和一个致冷机；
并且所说冷却器和所说致冷器能够相互独立地安装和拆开。
2、在一个带有液化致冷机的恒温器内，它在一个隔热容器内包含一个要冷却的物体以及一个用于冷却所说要冷却物体的所说液化致冷机的低温端;
其改进在于其中所说的液化致冷机包括一个冷却器和一个致冷机，所说冷却器包括作为主要部件的一个热交换器和一个膨胀阀;所说致冷机包括机械式动作的致冷装置;并且在所说恒温器内的一个真空容器内，所说冷却器和所说致冷机通过可拆卸的热传导装置热连接在一起。
3、在一个带有液化致冷机的恒温器内，它在一个隔热容器内包含一个要冷却的物体以及一个用于冷却所说要冷却物体的所说液化致冷机的低温端，并且在所说恒温器内包含一个超导磁体;
所说液化致冷机被分开成为用于冷却热屏蔽板的一个致冷机和用于冷却液化管路的一个冷却器;并且在所说恒温器的一个真空容器内所说冷却器和所说致冷机通过一个热传导件按可拆卸方式连接在一起。
4、在一个带有液化致冷机的恒温器内，它在一个隔热容器内包含一个要冷却的物体以及一个用于冷却所说要冷却物体的所说液化致冷机的低温端;
其改进在于其中所说的液化致冷机是一个由JT回路构成的液化设备;并且所说液化致冷机的高压侧经受的工作压力小于10Kg/cm2。
5、如权利要求1到4中任何一个权利要求所述的恒温器，其中在所说恒温器中的一个真空容器内设置一个插入所说冷却器的口，该真空容器与该真空室隔离开，所说口的低温部分由热传导装置与液氦容器内的蒸发气体冷凝表面进行连接。
6、如权利要求1到4中的任何一个权利要求所述的恒温器，其中所说的冷却器装在一个液氦供应口和一个蒸发气体排放口二者中的一个口内，所说冷却器通过所说供应口或所说排放口的一个壁与所说致冷机热连接，并且所说冷却器的低温部分暴露至液氦容器中的气相部分内。
7、如权利要求4所述的恒温器，其中除所说液化致冷机外，还提供另一个用于冷却一个屏蔽板的致冷机，所说两个致冷机通过一个热传导件连在一起。
8、如权利要求7所述的恒温器，其中在所说恒温器内的一个真空容器内提供一个插入所说冷却器的口，所述真空容器和所述真空室隔开，所说口的低温部分通过热传导装置与在液氦容器中的蒸发气体冷凝表面进行连接。
9、如权利要求7所述的恒温器，其中所说冷却器装在一个液氦供应口和一个蒸发气体排出口二者中的一个口内，所说冷却器通过所说供应口或所说排出口的一个壁与所说致冷机热连接，并且所说冷却器的低温部分暴露至液氦容器中的气相部分。
10、在一个带有液化致冷机的恒温器内，它在一个隔热空间内包含一个要冷却的物体以及一个用于冷却所说要冷却物体的所说液化致冷机的低温端;
其改进在于其中所说的液化致冷机包括一个冷却器和一个致冷机;并且在所说致冷机的低温端和所说冷却器的常温端之间提供一条通路以便将其所说低温端以分开形式流来的工作流体供应到所说冷却器。
11、在一个带有液化致冷机的恒温器内，它在一个隔热的空间内包含一个要冷却的物体以及一个用于冷却所说要冷却物体的所说液化致冷机的低温端;
其改进在于其中所说液化致冷器包括一个冷却器和一个致冷器;并且所说冷却器是装在冷却介质供应区之内，该冷却介质供应区在该隔热空间内。
12、在一个带有液化致冷机的恒温器内，在一个包含超导磁体和热屏蔽件的隔热空间内包含一个要冷却的物体以及一个用于冷却所说要冷却物体的所说液化致冷机的低温端;
其改进在于其中所说的液化致冷机包括一个冷却器和一个用于冷却所说热屏蔽板的致冷机;并且所说冷却器和所说致冷机按可拆卸方式连接到在所说隔热空间提供的一个热传导件上。
13、在一个带有液化致冷机的恒温器内，它在一个隔热空间内包含一个要冷却的物体以及一个用于冷却所说要冷却物体的所说液化致冷机的低温端;
其改进在于其中所说的液化致冷机包括一个冷却器和一个致冷机;并且所说冷却器按可拆卸方式独立地装在所说隔热空间内。
14、在一个带有液化致冷机的恒温器内，它在一个隔热空间内包含一个要冷却的物体以及一个用于冷却所说要冷却物体的所说液化致冷机的低温端;
其改进在于其中所说的液化致冷机包括一个冷却器和一个致冷机;所说冷却器包括作为主要部件的一个热交换器和一个膨胀阀;所说致冷机包括机械式动作的致冷装置;提供一条从所说致冷机的低温端以分开的形式流向所说冷却器的常温端的供应工作流体的通路;并且在所说隔热空间内所说冷却器和所说致冷机通过可拆卸的热传导装置热连接在一起。
15、如权利要求14所述的恒温器，其中所说致冷机被插在与所说隔热空间分隔开的一个衬套内，在所说衬套和所说致冷机之间提供一个间隙，并且所说工作流体流过所说间隙。
16、如权利要求14所述的恒温器，其中有吸附剂设置在所说通路内。
17、如权利要求14所述的恒温器，其中有吸附剂设置在所说致冷机的低温端内。
18、在一个带有液化致冷机的恒温器内，它在一个隔热空间内包含一个要冷却的物体以及一个用于冷却所说要冷却物体的所说液化致冷机的低温端;
其改进在于其中所说液化致冷机包括一个冷却器和一个致冷机;所说冷却器包括作为主要部件的一个热交换器和一个膨胀阀;所说致冷机包括机械式动作的致冷装置;提供加热装置以便加热以分开的形式自所说致冷机的低温端流到一个常温端的工作流体;提供一条从所说冷却器的常温端供应所说工作流体的通路;并且在所说隔热空间内，所说冷却器和所说致冷机通过可拆卸的热传导装置热连接在一起。
19、如权利要求18所述的恒温器，其中所说的加热装置包括一个在所说隔热空间内设置的热屏蔽板。
20、如权利要求18所述的恒温器，其中所说的加热装置包括一个在所说隔热空间内设置的插入管，所说冷却器插入所说的插入管内。
21、在一个带有液化致冷机的恒温器内，它在一个隔热的空间内包含一个要冷却的物体以及一个用于冷却所说要冷却物体的所说液化致冷机的低温端;
其改进在于其中的所说液化致冷机包括一个冷却器和一个致冷机，所说冷却器包括作为主要部件的一个热交换器和一个膨胀阀;所说致冷机包括机械式动作的致冷装置;在常温部分设置一台给所说致冷机供应工作流体的压缩机;在置于所说隔热空间内的所说致冷机的低温端提供用于吸附所说工作流体中杂质的一个吸附装置;提供一条从所说冷却器的常温端通过所说吸附装置供应所说工作流体的通路;并且在所说隔热空间内所说冷却器和所说致冷机通过可拆卸的热传导装置热结合在一起。
22、在一个带有液化致冷机的恒温器内，它在一个隔热的空间内包含一个要冷却的物体以及一个用于冷却所说要冷却物体的所说液化致冷机的低温端;
其改进在于其中所说的液化致冷机包括一个冷却器和一个致冷机;所说冷却器包括作为主要部件的一个热交换器和一个膨胀阀，所说致冷机包括机械式动作的致冷装置;所说冷却器中包含有吸附剂;从安装在常温部分的一台压缩机向所说冷却器的常温端供应工作流体;并且在所说隔热空间内，所说冷却器和所说致冷机通过可拆卸的热传导装置热连接在一起。
23、在一个带有液化致冷机的恒温器内，它在一个隔热的空间内包含一个要冷却的物体以及一个用于冷却所说要冷却物体的所说液化致冷机的低温端;
其改进在于其中所说的液化致冷机包括一个冷却器和一个致冷机，所说冷却器包括作为主要部件的一个热交换器和一个膨胀阀;所说致冷机包括机械式动作的致冷装置;将纯度比供应到所说致冷机的常温端的工作流体纯度还需高的一种工作流体供应到所说冷却器的常温端，并且在所说隔热空间内所说冷却器和所说致冷机通过可拆卸的热传导装置热连结在一起。
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